在經過熱電廠時，我們一定見過這樣細腰型的高大建築（如下圖），通常上方會冒着白煙（實際是水蒸氣），很多人以為這是煙囪。實際上這是發電廠用來給水冷卻的冷卻塔，現在常見的就是雙曲線冷卻塔，是一種自然通風式冷卻塔。

雙曲線冷卻塔

雙曲線冷卻塔

什麼是雙曲線冷卻塔

因為其外形類似于數學圖形内的雙曲線圖形，因此此類塔通常稱之為雙曲線冷卻塔。不知道大家對下面的數學題目是否熟悉呢？

雙曲面是其實一種直紋曲面，是由一條直線通過連續運動構成，這是它最重要的幾何性質。

可以看到，直線繞軸旋轉形成了雙曲面

這種曲面其實是一條直線繞着另一條與其自身既不平行也不相交的另一條直線（又稱異面直線）旋轉而成的。

因此鋼筋在布置時不需要彎曲,即将其平行于空間斜向直線即可。

其實在早期的時候，發電廠的冷卻塔并不是雙曲線形的，而是有各種各樣的形狀，比如直筒型、八邊形等。荷蘭以為教授在1915年第一次設計了雙曲面型冷卻塔，而後随着大型火電站的發展，這種雙曲面型的冷卻塔迅速流行。為什麼這種形狀的冷卻塔會迅速流行呢？

早期的冷卻塔

Iterson在1915年第一次發明了雙曲面型塔後, 這種構型在熱電站中迅速流行，那麼為什麼會有這種轉變呢？答案是規模，随着大型火\核電站的出現而有了這種自然通風式雙曲面冷卻塔。

這是一個關系鍊：1 電站裝機增大——2 需要建更大規模的冷卻塔——3 冷卻能力受面積和高度的直接影響，因此冷卻塔要更高更大——4 高大的圓筒狀結構很不穩定，即使建造出來成本也很高——5 需要用經濟的手段建造大型冷卻塔——6 雙曲面塔最經濟

1和2不用解釋，過程3中需要一個公式，即冷卻的能力（單位面積抽力）隻和冷卻塔的高度和内外氣體密度差有關，因此冷卻塔造得越來越高，現如今通常都在100米以上，而新造塔都超過了160米甚至出現很多超過200米的塔。

這就造成了4中的問題，不管用混凝土還是鋼結構，200米高的直牆都是很不穩定的，要讓它承受風阻和變形就得加厚或者加大量鋼筋，最終一個塔會像摩天大樓一樣，成本無法接受。

因此，在5中，我們得找一種經濟的手段讓冷卻塔成本降低，那就是殼狀曲面結構，也就是說曲率能夠産生強度。

這是因為曲面的高斯曲率非0，大數學家高斯提出的“絕妙定理（Theorema Egregium）”中可以推論：你可以随意彎曲一個曲面，隻要你不拉長、壓縮或者撕裂它，高斯曲率一定不會變。可見：你拿披薩的方式，很可能是錯的 | 科學人 | 果殼網 科技有意思

換言之，對于高斯曲率非0的結構，隻有它被撕裂或超出材料承受能力時高斯曲率才會發生變化，因此曲面的結構強度和抗變形能力是非常強的。因此我們要将冷卻塔建造為曲面的形狀。這裡要注意的是，圓柱形和錐形的結構其高斯曲率是0，也就是說可以用一個平面卷成圓柱或圓錐，因此其強度是不如其它曲面的。

由左至右：負高斯曲率曲面（雙曲面），零高斯曲率曲面（圓柱面），和正高斯曲率曲面（球面）。

所有的薄殼曲面結構都具有高強度和節省材料的特點，也有其他形狀和材料的冷卻塔，對于結構的探索是永無止境的。

目前典型的大型冷卻塔大約高 150m , 底部直徑大約是 150m , 就是說, 它的底部可以容納一個足球場. 然而它的厚度卻很薄,最薄處隻有 20cm. 如果将冷卻塔成比例地縮小到雞蛋殼直徑 大小, 則它比雞蛋殼還要薄, 僅及雞蛋殼厚度的1/5。

要說冷卻塔的作用，我們需要先講一下火力發電廠的工作流程。

燃料送到電廠後，經過篩選輸送到鍋爐燃燒，鍋爐被加熱後，鍋爐内的水變成了高溫水蒸氣。水蒸氣通過管道被輸送到汽輪機，推動汽輪機旋轉作功，發電機與汽輪機通過聯軸器相連，從而帶動發電機發電。而經過汽輪機作過功的水蒸氣則被送入到凝汽器，被冷卻水冷卻凝結成水。一部分則被加壓輸送到附近小區進行供熱。熱電廠需要大量的冷卻水來給機組降溫。而冷卻塔就是為此提供冷卻水的。

電廠工作流程

熱電廠工作流程

冷卻塔底邊直徑一般在65到120米，高度在75到150米。其由3部分組成，分别為下環梁、筒壁、塔頂剛性環。下梁環在風筒下部，所有載荷通過下梁環傳遞給斜支撐。筒壁則是冷卻塔的主體部分，其形狀及壁厚經過優化計算确定。而塔頂剛性環則是筒殼的加強箍。在塔底部設有約2米深的集水池。在筒壁下部設有配水槽和淋水裝置。

雙曲線冷卻塔工作過程

冷卻塔塔身比較高，容易形成煙窗效應（煙窗效應：戶内空氣沿着有垂直坡度的空間上升或者下降，造成空氣加強對流的現象，當煙囪變窄時，氣流會加速），由于上下空氣壓差，就會有風從塔底進入塔頂流出。從凝汽器中出來的熱水被輸送到冷卻塔中部的配水槽處，熱水被噴射成水滴狀。水滴下落的過程中，冷風上升，在此過程中将熱水冷卻。上升的水汽從上口冒出，就是我們看到的白色水霧。冷卻水低落到集水池内，被重新輸送到凝汽器内，循環利用。

從結構上講，雙曲線型結構更堅固。在此處，我們要先講一下伯努利效應，即邊界層表面效應，科學家伯努利通過無數次試驗驗證得出結論：流體速度大的地方壓強小，流速小的地方壓強大。例如我們在等待火車時，要站在黃線以外。因為越靠近火車的地方，氣體速度越大，而遠的地方流速小，這就形成了一個壓強差，離得太近的話，則有可能被火車吸走。再講回雙曲線結構，因為靠近筒壁的位置空氣流速要比中心慢，這樣就會産生一個向内的拉力。這樣筒身就容易被破壞。而曲面結構可以增加結構和強度。

從經濟方面考慮，雙曲面結構更容易建造。雙曲面其實是一種直紋曲面，是通過直線連續運動形成的。利用這個特質，雙曲面結構隻利用直梁就可以建造，而直梁更容易建造。

雙曲面

冷卻塔建造

冷卻塔建造

冷卻塔建造

經曆了多年的工程實踐，這種結構的力學性能和防風性能得到了很好的檢驗，成為了最普遍的冷卻塔形式，因此沿用雙曲面也是一種曆史的慣性。

實際上，工程實踐中不是完全按照曲面的幾何形狀去施工，實際的施工中曲面大多是采用分節施工的辦法，給定筒壁母線半徑和壁厚然後用多段平面鋼模闆去逼近。

因此嚴格來說，其最終形狀和雙曲線型的母線是有所差異的，現如今的塔形是優化設計、工程實踐和施工習慣相互影響的結果，和幾何上的雙曲面會有差異。

從效果上講，雙曲線型更容易使空氣流通。底部直徑最大，可以最大限度的是冷空氣進入。而達到最細部門時，由于管徑變小，空氣流速加快，可以盡快帶走熱量。而到達頂部後，管徑變大，大量的熱氣在此處壓力減小，将熱量釋放，形成白色的水蒸氣。

集水池多為在地面下約2米深的圓形水池。塔身為有利于自然通風的雙曲線形無肋無梁柱的薄壁空間結構，多用鋼筋混凝土制造。冷卻塔通風筒包括下環梁、筒壁、塔頂剛性環3部分。下環梁位于通風筒殼體的下端，風筒的自重及所承受的其他荷載都通過下環梁傳遞給斜支柱，再傳到基礎。筒壁是冷卻塔通風筒的主體部分，它是承受以風荷載為主的高聳薄殼結構，對風十分敏感。其殼體的形狀、壁厚，必須經過殼體優化計算和曲屈穩定來驗算，是優化計算的重要内容。塔頂剛性環位于殼體頂端，是筒殼在頂部的加強箍，它加強了殼體頂部的剛度和穩定性。

冷卻塔

冷卻塔斜支柱為通風筒的支撐結構，主要承受自重、風荷載和溫度應力。斜支柱在空間是雙向傾斜的，按其幾何形狀有“人”字形、“V”字形和“X”字形柱，截面通常有圓形、矩形、八邊形等。一般按雙抛物線設計，基礎主要承受斜支柱傳來的全部荷載，按其結構形式分有環形基礎(包括倒“T”型基礎)和單獨基礎。基礎的沉降對殼體應力的分布影響較大、敏感性強。故斜支柱和基礎在冷卻塔優化計算和設計中亦顯得十分重要。

“人”字形柱

“V”字形柱

“X”字形柱

冷卻塔高度一般為75～150米，底邊直徑65～120米。塔内上部為風筒，筒壁第一節（下環梁）以下為配水槽和淋水裝置，統制為淋水構架，多用PE或PVC材料制成。塔底有一個蓄水池，但需根據蒸發量連續補水。淋水裝置是使水蒸發散熱的主要設備。運行時，水從配水槽向下流淋滴濺，空氣從塔底側面進入，與水充分接觸後帶着熱量向上排出。冷卻過程以蒸發散熱為主，一小部分為對流散熱。雙曲線型冷卻塔比水池式冷卻構築物占地面積小，布置緊湊，水量損失小，且冷卻效果不受風力影響；它又比機力通風冷卻塔維護簡便，節約電能；但體形高大，施工複雜，造價較高，多用電動滑模。

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